專利名稱：雙燃料發(fā)動機的燃燒方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將細小顆粒的煤與水混合噴入柴油機氣缸中的系統(tǒng)。
柴油機能夠有效地將碳氫化合物燃料的潛熱轉化為有用的機械功。在傳統(tǒng)柴油機的操作中，一預定量的燃料在曲軸的旋轉與往復活塞的空氣壓縮沖程相一致的重復的間隔噴入發(fā)動機的每個氣缸中。在壓力增加時，氣缸中的壓縮溫度升高，且噴入的燃料不久便加熱到足以起燃的程度。結果是燃料的燃燒迫使活塞向相反方向運動，從而為發(fā)動機曲軸提供力矩。
傳統(tǒng)發(fā)動機燃料的品級較低。精煉的燃料，即柴油機燃油，具有所需的起燃和放熱特性。柴油含有低的腐蝕性，磨蝕性和其他有害物質，而且目前供應充足。
近一個世紀以來，本領域的技術人員已經知道，不論煤是以干粉或液漿形式(即粉狀煤或其他形式的碳粉與液態(tài)載體如油或水的混合物)，是另一種可供選擇的柴油機燃料。對發(fā)展一種煤燃料占主要部分的柴油機的關注焦點越來越轉向其成本，而非標準柴油的供給。見J.P.Davis，J.B.Dunlay，M.K.Eberle和H.A.Steiger所著“使用煤基燃料的低速兩沖程柴油機試驗”一文。美國機械工程學會1981年，第81-DGP-12文章。
向壓燃式往復活塞內燃機(諸如大型中速多缸柴油機)中噴射煤水漿(以下有時簡稱為CWS)，會造成純液體燃料噴射中不常遇到的問題。問題之一是由于CWS有較長的點火滯后期，因而不會象傳統(tǒng)柴油機那樣容易起燃，因為對所獲得的CWS的霧化程度的實際的限制，并且與使用標準柴油作為主燃料的柴油機相比，對進氣溫度和發(fā)動機氣缸中的壓縮溫度的增加量亦有實際的限制。
早在六十五年前，人們就知道少量的易燃輔助燃料噴入柴油機可改善其它不易起燃的“重”碳氫化合物燃料的燃燒。見英國專利第124，642號。其中所用的術語“輔助燃料”意思是較輕的碳氫化合物燃料(例如，甲醇、甚至標準柴油)，它們具有比噴射系統(tǒng)中的主燃料更為容易起燃的特性。
美國專利4，825，842號公開了一種內燃機的燃料噴射系統(tǒng)，其中柴油作為起始燃料噴射，而CWS則作為主燃料噴射。該專利公開了一臺裝置，它既可讓柴油用作CWS的輔助燃料，又可作為內燃機的單一燃料。然而，該專利中既沒有寫明噴射CWS主燃料和起燃燃料的噴射定時，也沒有寫明對用這些燃料的燃料效率、排放控制及最大缸內壓力進行優(yōu)化。
美國專利4，612，898號公開了一種活塞式內燃機的氣缸蓋，它具有兩個燃料噴嘴一個用來噴射起燃燃料，而另一個用來噴射主要的非自燃燃料。然而它也沒有寫出噴射CWS主燃料和起燃燃料的噴射定時，并且也未對使用這些燃料時的燃料效率、排放控制及最大缸內壓力進行優(yōu)化。
美國專利4，700，672公開了一種內燃機的雙燃料噴射裝置，其中可用液態(tài)或氣態(tài)的燃料作為主燃料，還有輔助燃料。文中稱，輔助燃料應與主燃料同時噴射。然而它也未對使用這些燃料時的燃料效率，排放控制及最大缸內壓力進行優(yōu)化。
Hsu等人的美國專利4，782，794公開的是將少量易燃輔助燃料在噴射CWS之前噴入，以幫助煤燃料柴油機中的CWS的燃燒。它建議輔助燃料可與CWS在供油箱中混合噴射，或者可用分開的輔助燃料噴嘴(美國專利4，335，684)或者將輔助燃料及主燃料噴嘴合為一同軸的組件(見美國專利4，266，727)，它也提議通過噴射與CWS燃料適時的起燃相協(xié)調而噴入最少量的輔助燃料來節(jié)約成本(假定CWS燃料比輔助燃料便宜)。
Hsu的美國專利4，782，794號也公開了一種燃料噴射系統(tǒng)，它特別適用于在高壓下噴射煤漿燃料，它包括一個蓄壓式燃料噴射器，利用高壓輔助燃料作為清潔液，以防止來自針閥將要打開和關閉時燃料中的大顆粒并作為液壓媒介，以使針閥保持在關閉位置。一條在噴射器中的流體通道將少量的起燃助燃輔助燃料導至噴射器噴嘴處的腔室的一適當區(qū)域內，以便在每次噴射開始時讓第一層主要由輔助燃料構成的燃料噴入，而后再噴主要的液漿燃料。
下面列出了幾篇關于一般的柴油機或用CWS燃料的內燃機的文章W.J.D.Annand的“往復活塞式內燃機氣缸中的熱傳導”，機械工程學報1963年第177期第36號。
J.A.Caton，K.D.Kihm，A.K.Sesadri和G.Zicterman的“容積式燃料噴射系統(tǒng)中噴霧微細煤水漿”，發(fā)表于燃燒學會，中部地區(qū)1991年春季技術會議，田納西Nashville，1991年4月(后簡稱為“[Cafon1991]”)。
P.L.Flynn，B.D.Hsu和G.L.Leonard的“GE運輸系統(tǒng)中煤燃料柴油機的發(fā)展”ASME出版，燃氣輪機及動力工程雜志，1990年第112期第3號，369-375頁(后簡稱“[Flynn等1990]”)。
B.D.Hsu的“柴油機的放熱、循環(huán)效率及最大氣缸壓力-空氣循環(huán)分析的廣泛應用”SAE會刊，1984年第4.766頁(后簡稱“[Hsu1984]”)。
B.D.Hsu的“在中速柴油機中煤水漿燃料的研究進展第1部分-起燃研究”ASME會刊，燃氣輪機及動力工程雜志1985年第110期，第3號，415-422頁(后簡稱“[Hsu1988a]”)。
B.D.Hsu的“在中速柴油機中煤水漿燃料的研究進展第2部分-滿負荷初步試驗”SAME會刊，燃氣輪機及動力工程雜志，1988年第10期，第3號，423-430頁(后簡稱“[Hsu1988b]”)。
B.D.Hsu，G.L.Leonard和R.N.Johnson的“在中速柴油機中煤水漿燃料的研究進展第3部分-蓄壓噴射器的性能”SAME會刊，燃氣輪機及動力工程雜志，1989年第111期，第3號，516～520頁(后簡稱“[Hsu1989]”)。
B.D.Hsu和G.L.Confer的“在中速柴油機中煤水漿燃料的研究進展第4部分-燃料的影響”SAME會刊，煤燃料柴油機1991年ICE第14期(后簡稱“[Hsu1991]”)。
A.M.Kanury的“燃燒現(xiàn)象的介紹”Cordon和Breach科學出版社1977年第2版(后簡稱“[Kanury1975]”)。
S.Wahiduzzaman，P.N.Blumberg和B.D.Hsu的“煤燃料機車柴油機的有效設計及操作特性的模型”ASME會刊，煤燃料柴油機1991年ICE第14期(后簡稱“[Wahiduzzaman1991]”)。
P.M.Walsh，M.張，W.F.Farmayan，J.M.Beer的“煤水漿在密閑紊流擴散火焰中的起燃和燃燒”參加了1984年8月的第二十屆國際燃燒會議密執(zhí)安州AnnArbor。
下面所述的CWS在柴油機中的起燃方法是由B.D.Hsu在“煤水漿燃料在中速柴油機中的研究進展第一部分-起燃研究”中討論的，ASME會刊燃氣輪機及動力程雜志1988年第110期，第3號，415～422頁(后簡稱“[Hsu1988a]”)·壓燃，其中CWS是完全由發(fā)動機氣缸中產生的壓縮溫度點燃。
·分置的輔助柴油燃料噴射，其中一個分置的輔助噴射器用來提供一小部分純柴油，以點燃由主噴射器噴射的CWS(用兩個分置的噴射器)。
·層狀輔助燃料起燃，其中有少量柴油通過主燃料噴射器噴入氣缸中，在此來自噴射器的另一部分燃料主要由柴油構成，而后再主要是CWS。此處用的輔助燃料是在CWS的噴射之前噴入的，以便幫助CWS燃料起燃。一文中描述了一臺中速柴油機中CWS燃料的起燃研究。其中CWS燃料和輔助燃料是利用分置的噴射系統(tǒng)分別噴入燃燒室的。其中所有的試驗都是在低負載狀態(tài)下進行的。在該文章的描述中，輔助燃料是在低負載狀態(tài)下在CWS燃料之前或在接近CWS燃料開始噴射之時噴入的。
在[Hsu1988a]和[Flynn等1990]的試驗報告中，初步的成功是在主要燃燒煤漿燃料的12缸發(fā)動機中經改裝的機械燃料噴射裝置(FIE)下獲得的。但是，該發(fā)動機所用的機械燃料噴射裝置只能提供95%的燃燒效率，并且須用高比例的柴油輔助燃料(見Hsu1988b和Flynn等1990)。在[Hsu1988a]文章中指出，在低或最小負荷狀態(tài)下用輔助燃料起燃CWS燃料時，CWS燃料的燃燒開始時刻是受輔助燃料開始起燃支配的。
如早在[Hsu1989]的報告中所述，它發(fā)展了一種使用金剛石緊密嵌入的噴嘴的高壓電子控制蓄壓噴射器[Flynn等1990]。這種新型FIE可靠性及耐久性的改進使得柴油機的CWS燃料的燃燒可以得到改善，并可更加全面地進行研究。主要是由于發(fā)動機的起動和低負載運行的需要而決定在燃燒系統(tǒng)中帶有一個柴油輔助燃料噴射器。由于不需要停機就有能力改變輔助/CWS噴射定時和量，因而實驗性的燃燒研究就十分方便。其他參數(shù)的研究，包括燃燒室形狀(通過改變CWS燃料噴射器噴嘴孔的數(shù)目/形狀/角度)，以及噴射壓力。
由于廣泛的試驗，從而確定了將較少的柴油量在最小負載下于CWS燃料之前作為輔助燃料噴入燃燒室中起燃CWS燃料。但是在中到低負荷之間的范圍內，在CWS燃料噴入之前以傳統(tǒng)方式噴入同樣量柴油作為輔助燃料則不能夠使CWS燃料以及時并且干凈的方式燃燒，但是這會使利用廉價CWS燃料驅動發(fā)動機的目標部分受挫。
本發(fā)明的一個目的是在柴油機中干凈并有效地燃燒CWS燃料。
本發(fā)明的第二個目的是開發(fā)一種雙燃料系統(tǒng)，其中CWS為主燃料，而較少量的易燃燃料，諸如傳統(tǒng)的柴油，則用作附加燃料來完成CWS燃料的及時和完全的燃燒。
本發(fā)明的第三個目的是一面保持可容許的氣缸峰值燃燒壓力(Pmax)以及適當?shù)谋热剂舷牧?SFC)，而同時又使燃燒效率(即碳完全燃燒)達到最大。高燃燒效率主要是為了控制排放，雖然也對SFC一些效果。人們已發(fā)現(xiàn)，由于集中放熱或者煤燃料柴油機的較高循環(huán)效率[Hsu1984]，需要限制Pmax[Hsu1988a]。低的發(fā)動機SFC依賴于較高的循環(huán)效率和高的燃燒效率。但是，較高的循環(huán)效率通常帶來高的Pmax。因而本發(fā)明的這一目的就是獲得一個折衷方案，防止發(fā)動機元件的機械故障。
本發(fā)明的第四個目的是提供一個燃料噴射及控制系統(tǒng)，使渦輪增壓式壓燃發(fā)動機起動并用柴油在低功率狀態(tài)下工作，而后在渦輪增壓器能提供所需的進氣溫度和壓力狀態(tài)時，轉換為煤水漿或者其他不易燃的燃料。該燃料噴射系統(tǒng)包括兩個部分(1)一套附加柴油系統(tǒng)(2)一套滿負荷煤水漿系統(tǒng)。發(fā)動機可以在低負荷下以附加柴油系統(tǒng)來起動、空轉及運轉。當負載水平達到可用煤燃料時，煤水漿噴射系統(tǒng)便工作并隨負載情況逐漸引入且作為負載的附加柴油逐漸停用。
在本發(fā)明的實施例中，在柴油機上使用了兩個燃料系統(tǒng)一個主燃料系統(tǒng)和一個附加燃料系統(tǒng)。主燃料系統(tǒng)采用CWS燃料。附加燃料系統(tǒng)使用一種易燃燃料，諸如傳統(tǒng)的柴油。用來驅動發(fā)動機的主要燃料是CMS燃料，它較附加燃料要廉價。附加燃料根據發(fā)動機負載狀況既可作為燃燒的起燃劑或增強劑。發(fā)動機的負載狀況由本領域技術人員公知的傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)檢測。
在本發(fā)明的一個實施例中，主燃料和易燃附加燃料是分別噴入內燃機燃燒室的。兩種燃料每個的噴射定時都取決于發(fā)動機的負載狀況。因而，要首先確定負載狀態(tài)，再決定兩種燃料的噴射定時。在一定負載狀態(tài)下，噴射定時的確定是以活塞的上止點位置之前噴入燃燒室主燃料的時間量來實現(xiàn)的。附加燃料噴入燃燒室的噴射定時關系也被確定，用來實現(xiàn)預定的比燃料消耗量、燃燒效率及氣缸峰值燃燒壓力。
在本發(fā)明的一實施例中，一套用于多缸柴油機車發(fā)動機的雙燃料系統(tǒng)帶有一種主燃料，即煤水漿;還有一種附加燃料，即一種易燃燃料，諸如傳統(tǒng)的柴油。附加燃料用來起動機車發(fā)動機，并使之在怠速或無負載狀態(tài)下運轉，進行預熱。當發(fā)動機用來驅動機車時，即在發(fā)動機加載時，發(fā)動機的負載狀況被檢測并被確定，而且在最小負載狀態(tài)(大于發(fā)動機怠速或無負載狀態(tài))，附加燃料便在主燃料被引入之前被引入燃燒室中作為輔助燃料。在中等負載水平下，所需的主燃料蒸發(fā)及揮發(fā)預定量的時間已被確定，并且主燃料大大早于活塞上止點位置之前引入燃燒室，以便實現(xiàn)預期的蒸發(fā)和揮發(fā)量。附加燃料向燃燒室的噴入較在最小負載狀態(tài)下的噴射要滯后一個預定的時間量，以便主燃料能夠被引燃并很快燃燒，產生預期高燃燒率和效率。在最大負載狀態(tài)下，主燃料預定的蒸發(fā)及揮發(fā)量所要時間量已被確定。主燃料的噴入大大早于活塞的上止點位置，以便實現(xiàn)預期的蒸發(fā)及揮發(fā)量。附加燃料向燃燒室中的噴入被延遲到主燃料噴射后的一預定時間量之后，以使主燃料蒸發(fā)并使主燃料能很快燃燒，從而產生預定最大氣缸壓力下的預期高燃燒率和效率。因而，某些情況下，在最大負載狀態(tài)時，主燃料會在附加燃料噴入之前自燃，這樣，附加燃料將作為燃燒增強劑，而不是輔助燃料。
煤水漿可以包括有大約0.7%到2.5%的煤灰而且的固體填料的重量百分比為大約47%到49%。
同樣，在本發(fā)明又一實施例中，一套分置的獨立附加燃料噴射系統(tǒng)被用來以易燃燃料(諸如傳統(tǒng)的柴油)起動，并驅動發(fā)動機在低負荷下運轉，而另一套獨立的主燃料噴射系統(tǒng)則被用來在發(fā)動機到達常規(guī)工作狀態(tài)時噴射低可燃性燃料，諸如CWS。節(jié)流裝置用以選擇發(fā)動機的工作負載。傳感裝置，諸如，傳感器，用來與氣缸相聯(lián)系，既可以是直接的也可以通過發(fā)動機的其他部分，以確定發(fā)動機的工況。響應于傳感裝置和節(jié)流裝置的控制裝置，例如電子回路或其他公知的計算機控制器，連接在附加燃料噴射系統(tǒng)和主燃料噴射系統(tǒng)中，并且選擇噴入發(fā)動機汽缸中的CWS燃料及柴油的量，以及根據上述方法為其相應的噴射定時。


圖1是具有獨立的煤水漿燃料和附加燃料噴射器的燃燒室的示意圖;
圖2是在三種不同工況下雙燃料發(fā)動機全負荷時的燃燒分析圖表;
圖3是圖2所示燃燒工況下氣缸內溫度和壓力的示圖;
圖4是對CWS燃料自燃滯后研究的結果圖;
圖5是燃燒過程中CWS燃料的沖擊作用示圖;
圖6為噴射定時和CWS燃料沖擊的簡圖;
圖7是在滿負荷下的噴射定時圖;
圖8表示出了噴孔出流系數(shù)的影響;
圖9為在一定轉角下的噴束和沖擊面的示意圖;
圖10是不同曲軸轉角下噴束定時的效果圖;
圖11為CWS燃料不同噴射壓力下的運行效果圖;
圖12為CWS燃料不同噴射壓力下的燃料效果圖;
圖13為低負荷下發(fā)動機的燃燒狀態(tài);
圖14是本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)的方框圖;
圖15為煤水漿燃料柴油機燃料噴射系統(tǒng)的示意圖;
圖16顯示了一種煤燃料發(fā)動機的結構示意圖;
圖17為一種12缸煤燃料柴油機的結構示意圖;
圖18為一種用于12缸煤燃料柴油機的燃料噴射裝置的示意圖;
圖19是一種用于12缸煤燃料柴油機的燃料噴射控制器的示意圖;
圖1示出了一種用于本發(fā)明的多缸柴油機的典型燃燒室的各個部件。內燃機的往復運動的活塞12置于氣缸10中，它與曲軸(圖中未示出)以公知的方式可操作地相連?；钊?2頂部16和缸蓋18下方之間的氣缸空間構成了燃燒室14。
氣缸10上設有可將主燃料引入氣缸的裝置，該裝置包括一個主燃料噴射器20，此噴射器可依授于Hsu的美國專利4，782，794號來制造。這樣的燃料噴射系統(tǒng)特別適用于高壓下噴射煤漿燃料，它包括一個蓄能型燃料噴射器，該噴射器將高壓輔助燃料作為清潔液，以防止燃料中的硬顆粒阻礙針閥的開啟和關閉，同時該高壓輔助燃料還可作為液壓介質，將針閥保持在其關閉位置。
氣缸10還包括另一個分置的裝置，用以將不同于主燃料的附加燃料引入氣缸。該裝置包括一個如同現(xiàn)有技術中任何一種傳統(tǒng)柴油機噴射器的附加燃料噴射22。
氣缸10中還設有檢測裝置，如一個傳感器，用以檢測氣缸內的壓力和/或溫度情況。
如現(xiàn)有技術中已知的傳統(tǒng)柴油機，一般都具有一個與可變負載機械連接的曲軸，該可變負荷可以是一個交流發(fā)動機轉子，發(fā)電機則向負載電路提供電能。發(fā)電機的輸出能量，即加到發(fā)動機曲軸上的負荷受到一調節(jié)器的限制。發(fā)動機通常為帶有兩個氣缸一組有多缸型式，每個氣缸中分別配置一個往復運動的活塞，每個活塞經由連桿和軸承與曲軸的各個偏心軸或稱曲拐連接。在常用的4000馬力中速發(fā)動機中有16個氣缸，缸孔直徑約為9英寸。壓縮比是12左右。每個氣缸的空氣進氣閥和排氣閥(圖中未示出)，這些閥由發(fā)動機凸輪軸上相應的凸輪控制，而凸輪軸則又由四沖程發(fā)動機的曲軸來驅動，曲軸每轉兩周凸輪軸轉一圈，這樣其齒輪的減速比為2∶1。
在授予Hsu的美國專利4，782，794號中，噴射期間進入每個氣缸的CWS燃料量是隨燃料控制軸的角度位置而變化的。燃料控制軸通過與曲拐的平行布置與燃料泵組的調整桿相連，每個燃料泵分別與各噴射器相對應。燃料控制軸通過一連接桿與可調執(zhí)行機構相連，可將其轉至所需位置，如所表明的由控制裝置供給執(zhí)行器的可變電輸入信號值“X”位置處。
本發(fā)明的一個實施例為一個多缸柴油機，其缸徑為229mm，沖程長267mm，額定轉速1050轉/分。燃燒室14中有一側置輔助柴油燃料噴射器20和一個在中心設置的CWS主燃料噴射器22。輔助燃料噴射系統(tǒng)和CWS主燃料噴射系統(tǒng)均為柴油機中貫常使用的公知系統(tǒng)，且它們的均由傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)控制，此電控系統(tǒng)亦如柴油機中已知的型式。這些系統(tǒng)可依本發(fā)明如下所述方式改變噴射定時及噴射量。
本發(fā)明所用的一種CWS燃料是其中的煤要凈化至僅含0.8%的煤灰(參見表1)，漿中所用的固體的重量百分比應保持在49%。當然，CWS燃料中煤灰的含量也可以在0.7%至2.5%的范圍內，漿液的重量百分比則可以在46%至51%的范圍內變化，但其最好在47%至49%范圍內。
表1.CWS中所用煤的成份分析近似分析化學分析煤灰0.8% 碳82.59%氫5.34%揮發(fā)物39.40% 氮2.08%氯0.18%碳59.80% 硫1.01%氧8.00%顆粒大小整體平均直徑5.47(微米)熱值高熱值34630千焦／千克圖2表示了發(fā)動機滿負荷工況下(高進氣溫度和壓力)三次運行的燃燒分析。這三次運行使用相同的CWS燃料噴射定時，即上止點前25°，而輔助燃料的定時則是在上止點前35°、25°到15°變化的。正如從前的研究已經證實的那樣，放熱曲線的第一個小峰值對應的是輔助燃料的燃燒。放熱曲線上升部分一開始，后面緊接著即為CWS燃料燃燒或稱起燃的開始。圖中表明發(fā)動機整個燃燒過程的開始取決于輔助燃料的定時。同樣，還可以看了出，盡管CWS燃料的噴射定時是相同的，但煤起燃前CWS燃料的滯留時間是隨輔助燃料的定時而變化的(滯留時間則是指從CWS噴射開始到燃起燃的時間。以放熱曲線的第二次上升開始為特征)。
在圖2右上角的表中列出了測試工況。在下面的“燃燒結果”表中列出了該燃燒研究中所用的測試條件(最大壓力Pmax，燃燒效率和SFC)。在輔助噴射定時為15°時燃燒情況最好，此時的Pmax最低、燃燒效率最高、SFC最低。有些燃燒結果可以從對放熱曲線的分析中得出。Pmax的最大值(輔助燃料定時為上止點前35°時)是由于上止點前有大量燃料燃燒所致。上止點前燃燒的燃料對Pmax值的影響遠遠大于上止點后燃燒的燃料(Hsu1984)。最低的SFC值(輔助定時為上止點前15°)可由上止點附近燃料的集中燃燒得到解釋，在同一表中所列的最高相對循環(huán)效率為92.4%即是證明。其他影響也可以從(Hsu1984)中得到解釋。在圖3中，氣缸壓力和溫度與放熱曲線繪在了一起。在輔助燃料定時為上止點前15°，最高溫度的最大值發(fā)生在放熱曲線的結束期(上止點后30°～40°)，它或許會對所得到的最高燃燒效率產生影響。
據信三條放熱曲線形狀的差別是由于煤起燃前CWS燃料滯留時間的變化造成的，該變化由圖表2示出。煤起燃前CWS前的滯留時間有時類似于柴油燃料的“起燃延遲”，但其過程絕然不同。對一般的柴油燃料來說，在起燃延遲期內同時有物理的蒸發(fā)過程和化學能反應過程(主要是后一過程，該過程取決于燃料的十六烷值)。而對CWS燃料來說，滯留時間的存在主要是取決于水份蒸發(fā)的需要。在[Hsu1988a]的對發(fā)動機的研究和[Walsh等人1984]的對爐的研究中可以觀察到上述現(xiàn)象。可在起燃時間內燃燒的脫水煤燃料的量取決于此時水的蒸發(fā)量。顯然，起燃前氣缸內CWS燃料的滯留時間越長，則氣缸內加熱蒸發(fā)的水份就越多。因此，在起燃后立即會有更多的脫水煤進行燃燒。進而的很高的熱量釋放率。另一方面也應指出，在輔助燃料噴射初期以及開始燃燒時，氣缸壓力最初升得很高因而加速了蒸發(fā)過程。這一結果可以從圖3所示的三個例子中看出。表2列出了煤起燃前的滯留時間期間缸內氣體的平均溫度(兩者均是由曲軸轉角和絕對時間表示)。但是，較高的溫度對蒸發(fā)過程的影響要小于滯留時間的影響。這種現(xiàn)象一方面可以由如下所示的簡化液滴蒸發(fā)關系來解釋(Kanury，1975)。
dw＝k1＊dt＊1n(k2＊Tcy1+c)其中dw-蒸發(fā)水份的增量;
dt-時間增量;
Tcy1-缸內溫度;
k1-液滴直徑、熱擴散和密度的函數(shù);
k2-比熱和蒸發(fā)熱的函數(shù);
c-比熱、蒸發(fā)熱和液滴密度的函數(shù)。
從上式可以看出，蒸發(fā)時受缸內溫度指數(shù)的影響，而滯留時間則正比于蒸發(fā)量。另一方面，表2還表明了三種情況下氣體平均溫度的差是非常小的(即從940K到920K，差2%)，但蒸發(fā)滯留時間變化的量級卻很大(從0.95毫秒到2.38毫秒，增大約250%)。因此，由于有絕大多數(shù)的脫水煤燃料燃燒，也就不難理解在輔助噴射定時為上止點前15°時釋放的熱量最多、最集中的原因了。
表2起燃前的滯留時間和平均溫度
從以上分析可以看出，輔助燃料噴入發(fā)動機的任何時間都可使CWS燃料起燃，但盡可能多的延遲起燃時間可以獲得好的燃燒結果，正如輔助噴射為15°的燃燒情況那樣。這種情形或許可被稱為“延遲起燃”。事實上通過對計算機燃燒模型的研究也表明，CWS燃料可以在大大早于輔助燃料之前噴射[Wahicluzzaman1991]從發(fā)動機測試中還可以發(fā)現(xiàn)，如果輔助噴射更晚的話，CWS燃料就會自燃，此即為“延遲起燃”的界限。此時輔助燃料便不再點燃煤燃料，但卻能在煤自燃后加強其燃燒。在所有這些情況下均未見對燃燒或發(fā)動機的運行有任何的不利影響。
由于CWS的自燃即為“延遲起燃”的界限，所以下一步就是研究如何推遲CWS燃料的自燃。顯然，一種方法就是提前CWS燃料的噴射定時。在CWS燃料不自燃的情況下推遲輔助燃料噴射定的試驗結果表示在圖4中。很明顯隨著CWS噴射定時的提前，起燃延遲增大(見最下邊的曲線)，這是由于延遲期間內CWS處于比較低的缸內平均壓縮溫度造成的。所述試驗的缸內平均溫度情況示于圖4最上邊的一條曲線上。有趣的是中間一條曲線表明，依據曲軸轉角位置的實際起燃時間并無很大變化。
可是這些試驗結果卻也表明了提前的噴射定時雖然大大推遲自燃，但卻損害了缸內燃燒和發(fā)動機運行。圖5表示了上述試驗的燃燒分析結果。從該圖右下角的燃燒結果表中，可以比較一下第一和第二個試驗結果，顯然第二個試驗的SFC更好，它的起燃延遲更長。第一個試驗號為31(CWS噴射是在22°)。第一個試驗的試驗號為33(CWS噴射是在32°)。兩個試驗的燃燒效率是一樣的，但試驗31的Pmax值卻低得多。這是因“延遲起燃”的時間較短，致使放熱率(實際的)較低而造成的。但這種趨向在試驗39(點劃線)中卻有所變化，在這第三個試驗中，CWS噴射定時進一步從上止點前32°提前到42°。試驗結果表明，雖然Pmax值大致相等，但燃燒效率和SFC開始變壞(前者從99.5%變至99.1%，后者從8054KJ/KWh變化到8876KJ/KWh)。如果進一步將CWS噴射定時提前到上止點前47°(圖中未示)，則燃燒效率將猛然降至98%，SFC增至超過9100KJ/KWh。
這種燃燒惡化的原因是無法用通常的純柴油運行試驗來解釋的。相反，在用柴油燃料工作時，提前噴射定時可導致上止點前的早期燃燒，從而使Pmax升高、敲缸(起燃延遲長)和SFC變化。反觀煤燃料發(fā)動機，卻沒有早期燃燒。從對-包括本申請的分置的CWS燃料噴射的研究中[Caton1991]得出的可能解釋是，在噴射定時最早的試驗中，CWS燃料束噴到了冷的氣缸套壁上(參見圖6)進一步的分析還表明，即使在噴射定時為32°的情況下，在5°曲軸轉角以內，CWS燃料束將噴及活塞頂部。但在其后的至少20°曲軸轉角內(約上止點前10°)CWS是不會起燃的。因此，噴來對活塞頂部的沖擊發(fā)生在起燃之前很早，也許是活塞頂?shù)臏囟冗€未高到足以破壞總體的蒸發(fā)及其后的燃燒的程度。將發(fā)動機打開后對活塞頂部進行觀察，可以看到受到沖擊的痕跡。CWS燃料和純柴油燃料燃燒的主要區(qū)別在于，對CWS燃料束說，燃料束的沖擊不僅是不可避免的，而且(對延遲起燃來說)是必要的。
發(fā)動機滿負荷運行時的燃料噴射定時圖可如圖7所示，由Pmax，燃燒效率和SFC表示。它們由試驗結果的等距線繪出(圖中為直角坐標)。對上述三個值來說，在發(fā)動機滿負荷工作范圍內輔助燃料噴射定時似乎不產生什么大的影響，這可能是由于發(fā)動機缸內的燃燒主要是從煤燃料自燃開始的。在CWS噴射定時為上止點前37°時，任一種輔助燃料噴射定時均可產生最大的Pmax。由于上止點后燃燒的存在，輔助燃料噴射得越晚它對增加Pmax的作用就越小。在上止點前37°之前噴入CWS燃料(在圖中為向右)，由于燃料束對氣缸套的沖擊減少了放熱率，所以Pmax便會減小。當噴射是在上止點前37°后(在圖中為向左)進行的話就又可以看到CWS燃料“延遲起燃”的影響。從對圖中燃燒效率和SFC的分析中也可得到同樣的解釋。但對CWS燃料最隹噴射定時來說，這兩個圖得出的結論就不盡相同了，其原因可能在于最隹噴射效率主要取決于缸內溫度，而SFC則取決于在上止點處的放熱強度(相對循環(huán)效率)和燃燒效率。利用這張圖可以根據所需的Pmax、燃燒效率和SFC選擇輔助燃料噴射定時和CWS燃料噴射定時。在圖7的例3中前者為上止點前12°、后者為35°曲軸轉角。
在對燃燒室結構研究的一個試驗中，對具有10個和8個噴孔的CWS噴射進行了比較。10個孔的孔徑為0.40mm，8個孔的孔徑為0.46mm，其總的流通面積相等。圖8對燃燒參數(shù)進行了歸納。從圖中可以看出，這兩種噴射器的Pmax、最高燃燒效率的最低SFC值是一樣的，只是CWS的噴射定時是不同的。純柴油燃料運行經驗表明10個噴孔噴射器噴嘴更好的“空氣利用”預示出了一些優(yōu)點。對噴孔的燃料噴射速率的進一步研究表明，由于噴孔大小不同，所示噴射系數(shù)是不同的(0.40mm的噴孔系數(shù)為0.88，0.46mm的噴孔系數(shù)為0.80)。兩種噴射器的噴射壓力均為82.7MPa，噴出的噴束速度前者為333m/s、后者為300m/s。在噴射提前較小時具有較高速的10孔噴嘴噴出的燃料束將撞擊缸套壁，使其最隹值有相應的變化。對被測試的兩個噴射器的這種解釋表明，開始進入噴束的空氣量(取決于噴孔數(shù))的重要性不及噴束撞擊活塞頂后的二次霧化(取決于噴射速度)。另外還就其他噴孔形狀進行了相似的測試，如用倒錐形噴孔、圓內邊噴孔等，這些孔也分別被做成了8個和10個。所有這些試驗都得出了相同的結論。噴束速度的影響是主要的。基于這些結論，為減小噴孔被堵塞的趨向，選用了8個孔噴嘴作為基本型式。
在8孔噴嘴中，經試驗證明130°角的小噴束(與原先的150°角相比)可以避免CWS噴束對缸套的沖擊(參見圖9)?；谠刃褪絿娮斓谋容^試驗結果已在圖10中繪出。由此可以看出，盡管SFC值很接近，但燃燒壓力降低、燃燒效率不及以前。但是對于燃燒的設計，燃燒效率的降低是不可接受的，還表明最好也沒有很多的CWS燃料附著在活塞頂部。要確定在燃燒室內CWS沖擊的最隹值還有很多工作要做。
在對燃燒進行研究的一開始就研究了CWS的噴射壓力。該壓力從61到83MPa變化。圖11對其間的Pmax，燃燒效率和SFC的結果進行了比較。隨著CWS噴射壓力的增加，Pmax和燃燒效率增加，而SFC降低。在試驗范圍內，當采用高噴射壓力時，燃燒性能明顯改善。圖12表示了計算出的放熱曲線及缸內壓力的三個試驗條件下噴射器的針閥升程。顯然，在最高噴射壓力時有最大的放熱效率。噴射開始的時間是相同的(均為上止點前25°)，且CWS是大約同時起燃的(上止點前10°)，在起燃開始后放熱率的增大是霧化改善和同時有更多燃料噴入共同作用的結果。有趣的是CWS燃料從起燃到其由放熱峰值下降幾乎都在35°至40°曲軸轉角范圍內。如果噴射持續(xù)時間超出該放熱峰值下降之時，那么在[Hsu1989]，文章中首次提及的那種放熱速率很低的泵就會趨于燃燒過程的終點，它與超出35°至40°曲軸轉角期間的燃料噴射延長期成正比。
低負荷運行的特點是進氣道內的增壓壓力很低或沒有。正如在[Hsu1988a]的文章中已經說明過的那樣，由于燃料中水份的蒸發(fā)吸收了大量熱量導致溫度下降，因此CWS燃料不可能自燃?？紤]到水的蒸發(fā)，在循環(huán)的初期有必要加入輔助柴油以升高溫度。圖13表示了一個有凹形2的負荷典型的燃燒放熱曲線(一般希望其轉速為536轉/分，BMEP為300KPa)。放熱曲線中的第一個三角形是由輔助柴油燃料造成的，其占能量的24%(滿負荷時則只占4%)。由于最高燃燒溫度比較低，只有1560K(滿負荷時為1900K)，所以煤的燃燒效率僅達到93%。表3歸納出了低負荷時發(fā)動機的運行條件和性能。
有趣的是發(fā)動機負荷增加時輔助燃料的最隹噴射定時被延遲，而CWS的最隹噴射定時卻提前了。正如估計的那樣，發(fā)動機負荷增加，所需的輔助燃料減少?；蛟S是由于燃燒改善的活塞頂部升高，燃燒效率隨發(fā)動機負荷而增加。
在這一過程中，工作循環(huán)用煤的理想百分比是在對燃煤機車的經濟效益總體考慮后確定的。使用純柴油的一般機車怠速的時間占60%，在一個工作循環(huán)中，煤能量的消耗定為75%(柴油為25%)。在表3所列的工況中實際使用的煤占80%，超過了預定值。
圖14的方框圖表示了實現(xiàn)本發(fā)明的裝置。內燃機(可以是柴油機)如圖1所示。氣缸具有一個活塞頭頂部、氣缸壁和缸蓋之間的空間限定出的燃燒室。氣缸帶有兩個燃料噴射器，一個用來噴射主燃料，另一個用來噴射附加燃料。每個噴射器均與燃料噴射系統(tǒng)可操作地連接。附加燃料噴射系統(tǒng)(可以是柴油)是現(xiàn)有技術中已知的。CWS燃料的噴射系統(tǒng)由圖15和18示意繪出。
壓力傳感裝置(可以是壓力傳感器)、溫度傳感器和/或發(fā)動機曲軸傳角感應器均設置成與發(fā)動機燃燒室和/或曲軸、和/或連桿、和/或節(jié)氣門相連?？捎捎嬎銠C或微處理機驅動裝置構成的控制與這些傳感裝置相連。控制裝置還與燃燒噴射系統(tǒng)可操作地連接，并根據節(jié)氣門的輸入來控制這些系統(tǒng)。圖16、17的19則表示了發(fā)動機的總體布置。
權利要求
1.一種將低可燃性燃料和高可燃性附加燃料引入內燃機中的方法，該內燃機包括至少一個帶有一燃燒室的氣缸，其特征在于a.噴入附加燃料起動機車并讓發(fā)動機空轉直到其達到正常工作狀態(tài)；b.檢測發(fā)動機的負載狀況；并且(a)在最小負載狀態(tài)下，將附加燃料作為輔助燃料在向燃燒室噴入主燃料之前噴入燃燒室中，(b)在中等負載狀態(tài)下，確定主燃料蒸發(fā)及揮發(fā)預定量所需的時間量；將主燃料在大大早于活塞上止點的位置前噴入燃燒室中以達到預定量的蒸發(fā)及揮發(fā)；將附加燃料向燃燒室的噴入較在最小負載狀態(tài)下的噴入延遲一個預定的時間量，以便主燃料能夠被引燃并很快燃燒產生預期的高燃燒率和效率，(c)在最大負載狀態(tài)下，確定主燃料蒸發(fā)及揮發(fā)預定量所需的時間量；將主燃料在大大早于活塞上止點位置前噴入以便實現(xiàn)預期的蒸發(fā)及揮發(fā)量，將附加燃料向燃燒室中的噴入延遲到主燃料噴射后的一預定時間量之后以使主燃料蒸發(fā)并能很快燃燒，從而產生預定最大氣缸壓力下的預期的高燃燒率和效率。
2.如權利要求1所述的方法，其中低可燃性主燃料是煤水漿。
3.如權利要求2所述的方法，其中高可燃性附加燃料是柴油。
4.一種將主燃料和高可燃性附加燃料引入內燃機燃燒室的方法，該內燃機包括至少一個帶有一燃燒室的氣缸，其特征在于a.檢測發(fā)動機的負載狀況;b.確定活塞上止點前的時間量以便將主燃料噴入燃燒室;c.將主燃料噴入燃燒室;d.確定附加燃料噴入燃燒室的噴射定時關系用以實現(xiàn)預定的單位燃料消耗量、燃燒效率及氣缸峰值燃燒壓力;e.將附加燃料噴入燃燒室。
5.如權利要求4所述的方法，其中主燃料是煤水漿。
6.如權利要求4所述的方法，其中高可燃附加燃料是柴油。
7.一種分別將主燃料和高可燃性附加燃料噴入內燃機燃燒室中的裝置，該內燃機包括至少一個帶有一燃燒室的氣缸，其特征在于它包括a.檢測發(fā)動機負載的第一負載傳感裝置;b.確定活塞上止點位置前的時間量以便將主燃料噴入燃燒室的第二負載傳感裝置;c.確定附加燃料相對于主燃料噴入燃燒室的噴射定時關系，與負載傳感器共同實現(xiàn)預定的單位燃料消耗量、燃燒效率及氣缸峰值燃燒壓力的控制裝置;d.與負載傳感器共同作用將主燃料噴入燃燒室的第一噴射裝置;e.與負載傳感器共同作用將附加燃料噴入燃燒室的第二噴射裝置。
8.如權利要求7所述的裝置，其中主燃料是煤水漿，且第一噴射裝置還包括將煤水漿噴入燃燒室的裝置。
9.如權利要求8所述的裝置，其中附加燃料是傳統(tǒng)柴油，且第二噴射裝置還包括柴油噴射系統(tǒng)。
10.一種機車內燃機柴油發(fā)動機，包括至少兩個氣缸，每個氣缸帶有一個往復活塞，可操作地與曲拐相連，還帶有燃燒室。該機還包括分別將主燃料和高可燃性附加燃料噴入柴油機的裝置，其特征在于它還包括a.檢測發(fā)動機負載的第一負載傳感裝置;b.確定活塞上止點位置前的時間量以便將主燃料噴入燃燒室的第二負載傳感裝置;c.確定附加燃料相對于主燃料噴入燃燒室的噴射定時關系，與負載傳感器共同實現(xiàn)預定的單位燃料消耗量、燃燒效率及氣缸峰值燃燒壓力的控制裝置;d.與負載傳感器共同作用將主燃料噴入燃燒室的噴射裝置;e.與負載傳感器共同作用將附加燃料噴入燃燒室的裝置。
11.如權利要求10所述的裝置，其中主燃料是煤水漿，且第一噴射裝置還包括將煤水漿噴入燃燒室的裝置。
12.如權利要求10所述的裝置，其中附加燃料是傳統(tǒng)柴油，且第二噴射裝置包括柴油噴射裝置。
全文摘要
一種將主燃料，如煤水漿，和易燃的附加燃料，如傳統(tǒng)的柴油，噴入內燃機中的裝置和方法。它包括檢測發(fā)動機的負載狀況，確定在活塞上止點位置之前，向燃燒室中噴射主燃料的時間，并確定向燃燒室噴射附加燃料的時間關系，以得到預定的比燃料消耗量、燃燒效率和汽缸峰值燃燒壓力。
文檔編號F02D19/04GK1076995SQ9310171
公開日1993年10月6日 申請日期1993年1月21日 優(yōu)先權日1992年1月24日
發(fā)明者B·D·徐, G·L·康弗, Z·沈, M·J·赫帕曼, P·L·弗林 申請人:通用電氣公司